基于PLC的物流堆垛机控制系统设计毕业设计.docx

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基于PLC的物流堆垛机控制系统设计毕业设计

毕业论文

基于PLC的物流堆垛机控制系统设计

学生：

XXX

专业班级：

自动化2011级2班

指导教师：

XXX

学院：

机电工程学院

2015年5月

基于PLC的物流堆垛机控制系统设计

摘要

随着近年来物流产业的快速发展，自动化立体仓库应运而生，而堆垛机系统是整个立体仓库系统的核心，与之相关的技术逐渐成为研究的重点。

设计一种能够有效、快速、实时、稳定自动化立体仓库的堆垛机控制系统成为工业控制领域中一项重要课题。

本文给出了轨道堆垛机基于PLC控制系统的总体设计方案，并给出了具体的硬件搭建流程和软件设计方法。

本文对堆垛机的国内外发展状况以及发展趋势进行了研究。

设计了一种单位立柱巷道堆垛机控制系统。

本文采用西门子公司s7-200PLC，了解了轨道堆垛机的特点后，认为其技术指标以及控制方式进行设计非常重要。

为了研究堆垛机的定位技术对现有定位技术以及认址方式进行比较，最后决定选用激光测距传感器与绝对认址方式相结合的方案对轨道堆垛机进行实时位置控制，U型传感器的原理和测距方法，参数以及安放方式。

给出了单位立柱巷道堆垛机的流程图及程序。

实验结果表明本文设计的堆垛机控制系统整体效果良好，满足学校对堆垛机的性能要求。

设计的控制系统定位误差明显降低，堆垛机的运行速度也有一定的提高，一方面能够保证货物进仓的精准性，另一方面实现了系统运行的快速性，同时保证了系统的稳定性。

关键词　自动化立体仓库堆垛机PLC传感器

ThedesignoflogisticsstackercontrolsystembasedonthePLC

Abstract

Withtherapiddevelopmentoflogisticsindustryinrecentyears,automatedstereoscopicwarehousearoseattheakindofeffective,rapid,real-time,stableandautomatedstereoscopicstorehousestackercontrolsystemimportanttopicinanindustrialcontrolfield.TrackpilingmachinebasedonPLCcontrolsystemwasgivenintheoveralldesignofthispaper,andthepaperalsogavethespecificprocurementprocessesofmethodofthesoftware.

Thispaperstudiedthedevelopmentsituationandtrendofthestackeratthedesignisveryimportant.Inordertostudythestackerpositioningtechnology,thepapermadeacomparisonbetweenexistedpositioningtechnologiesandmethodstorecognizeaddress,finallydecidedtousethewayofcombininglaserrangesensorwithabsoluterecognitionofpositiontomakereal-timepositioncontrolontrackstacker,u-shapedsensorprincipleandrangingmethod,parametersandplaced.Italsogaveflowchartofthemaststackermachineunitandprogram.

Theexperimentalresultsshowthattheeffectofthedesignofstackercontrolsysteminthisarticleisgood.Thedesignalsometthestackerperformancerequirementsoftheschool.Thepositioningerrorofdesigningcontrolsystemisdecreasedobviously,andtherunningspeedofstackerincreasedtoacertainextent.Ontheoneensuretheprecisionofthewarehouseentry,ontheother,andensurethestabilityofthesystem.

Keywords　automatedstereoscopicstorehouse;stacker;PLC;sensor

摘要

Abstract

目录4

1.1课题研究的背景-1-

1.1.1自动化立体仓库的简介-1-

1.1.2自动化立体仓库的国内外发展状况-1-

1.1.3自动化立体仓库的优越性-2-

1.2堆垛机的简介-3-

1.3堆垛机的发展-4-

1.4课题研究的目的和意义-5-

2堆垛机的机械结构-6-

2.1堆垛机的结构设计方案-6-

2.2水平行走机构-6-

2.3货叉部分-7-

2.4载货台-7-

2.5提升机构-8-

2.6安全保护部分-8-

2.7本章小结-9-

3控制方案设计-10-

3.1堆垛机整体控制方案设计-10-

3.1.1堆垛机的控制方式-10-

3.1.2控制功能分析-11-

3.2控制系统关键技术及硬件选型-12-

3.2.1PLC技术与选型-12-

3.2.2交流伺服控制技术及伺服放大器的选型-13-

3.2.3交流变频调速技术及变频器选型-13-

3.3堆垛机位置控制方案-14-

3.3.1货位编码-14-

3.3.2认址方式-15-

3.3.3位置控制方案-15-

3.4本章小结-16-

4控制系统的实现-18-

4.1控制要求及系统设计-18-

4.2IO口分配方案-18-

4.3堆垛机系统的工作流程-20-

4.4软件编程及实现-22-

4.5本章小结-27-

结论-28-

参考文献-29-

致谢-31-

1绪论

1.1课题研究的背景

1.1.1自动化立体仓库的简介

自动化立体仓库库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果，是一个典型的高技术密集型机电一体化产品，用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作进行出入库作业。

结合入库出库周边设备来进行作业的一种仓库，它主要有高层的钢构货架、自动导航小车、传输带、堆垛机、自动控制系统、通讯系统、计算机监控系统和计算机管理系统等组成[1]。

1.1.2自动化立体仓库的国内外发展状况

从国内发展情况来看，我国第一座自主研发由计算机控制的自动化立体仓库由机械部起重所于1980年研制成功并交付使用（其总高15m，研发周期为13年，获得了国家的关注与支持），而由国内独立设计和制造的立体仓库则是由仪征化纤工业联合公司于1995年建成的涤纶自动化立体仓库，自动化程度达到国际化水平[2]。

从研究与应用上来看，我国自动化立体库主要经历了四个阶段：

第一阶段为起步阶段。

它始于1973年，在接下来的10多年间，我国完成了系统的研制与应用，但由于经济发展的限制，应用非常有限。

第二阶段为较初级发展阶段。

大概开始于1985年，比较明显的特征为：

通过引进吸收、自主研发，研制成功了基于可编程逻辑控制器控制的立体库系统，其应用领域也逐步扩展到医药、船舶、矿业、机械存储、烟草存储等行业，市场应用得到大大的提高。

第三阶段为高速发展阶段。

大概开始于1998年，一家国内公司发明了以传感器激光测距为主要技术的立体仓库。

这一时期立体库得到了广泛应用，每年大约有60套的增长，除去拆除的技术落后的到2005年超过600套。

第四阶段为成熟应用阶段。

其始于2006年，每年市场需求平均达到90套左右，到2010年底，全国自动化立体仓库数量能达到2000座左右。

目前我国的自动化立体库技术已经基本成熟，并进入大量应用阶段。

其技术水平与先进国家的差异主要在于高速性、工艺性和可靠性等方面。

而从国外情况来看，自动化立体仓库是在物流和自动控制技术快速发展背景下产生的一个高科技产品，它发源于北美洲。

于1950年美国研制成功的手动控制的桥式堆垛起重机被认为是自动化立体仓库的雏形；经过大约10年的时间，其又研制出了人工操作的巷道式堆垛机，并于1963研制成功了世界上最早的全自动化仓库：

它运用电子计算机控制仓库的运作，实现了仓库的自动化控制。

自动化发展最快的当属我们的邻国日本，在1965开始有了第一座自动化仓库后，平均每年以300座的速度大规模兴建。

到1986年它已拥有大小立体仓库5800座，占世界总数一半以上。

后来美国学者J．A．White把自动化立体仓库的发展划分为五个阶段：

人工仓储阶段、机械化仓储阶段、自动化仓段、集成化仓储阶段和智能化阶段[3]。

现代自动化立体仓库的概念图如图1-1

图1-1

1.1.3自动化立体仓库的优越性

自动化立体仓库在现代物流、贮存、管理中占有极重要的地位。

其优越性主要体现在以下几个方面：

1）实现密集存储、提高空间利用率：

立体仓库通常采用7—25米高的巷道式高架货架存储，巷道堆垛机进行存取货物的操作空间只需一个货位的宽度即可，空间利用率能达到常规仓库的5—10倍；

2）实现仓储物流的全自动化：

立体仓库的货物存取采用全自动巷道堆垛机，出入库系统采用各种输送设备，这些设备通过统一的控制系统调度、监控、管理，实现整个仓储系统的全无人自动化运行。

3）大大提高管理效率：

由于立仓库系统的出库、入库、盘存等仓储程序均实现了全自动管理并跟生产系统及销售、采购、财务等系统无缝对接，不但提高了存储及生产效率，并能极大程度地提高整体管理效率和仓储的合理化。

4）协调各生产工序的不平衡。

5）节省能源及人力消耗：

自动化仓库采用的是380V交流电的洁净能源，并且自动堆垛机取代了传统仓储里的叉车等存取装备，减少了人的参与。

1.2堆垛机的简介

起重和搬运是堆垛机在立体仓库中最常见的两个作用，在系统的控制下堆垛机能够在自动化立体仓库的巷道中往返运行并存取货物。

按现行机械行业标准，堆垛机可分为：

有轨巷道堆垛机、无轨堆垛机和桥式堆垛机。

而有轨巷道堆垛机的分类有各式各样的方式，大体上都是通过支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等来划分。

不过在立体仓库应用中，堆垛机最常见的分类方式是按运行方式和结构来分类[4]。

1）按结构形式，堆垛机可分为双立柱有轨巷道堆垛机和单立柱有轨巷道堆垛机。

①双立柱结构堆垛机的机架由上横梁、下横梁和两根立柱组成，整体呈方框形。

这种结构刚度高并且平稳性好，在要求取货高度高、货物质量大和行走速度高的场合应用比较广泛。

②单立柱堆垛机有上、下横梁组成。

这种结构使用材料相对较少，这样就减轻了整机的重量，同时降低了产品投入成本。

不过这种结构的堆垛机由于整体重心偏，并且在水平行走启动和停车过程中容易产生巨大冲击而使机架产生大的变形和局部应力集中，极大的限制了它的使用范围，仅仅适合应用在载重轻、低速的场合。

2）按运行轨迹形式不同，堆垛机可分为直线运行型堆垛机和曲线运行型堆垛机。

①直线运行型堆垛机，其轨道是直线的，堆垛机只能在其直线轨道上行走，不能自行的从一个巷道换到另外一个巷道。

不过因为其轨道为直线，该类型的堆垛机可以在高速情况下运行，能够实现立体库的高频率作业，在物流行业得到广泛应用。

②曲线运行型堆垛机又叫转轨堆垛机，其行走轮与下横梁是通过垂直轴铰接的，可以自行地从一个巷道转移到另外一个巷道，因此能够在环形或其它曲线轨道上行走，完成存取货物的功能[5]。

不过考虑场地的利用率问题，轨道的转弯半径不宜过大，这样堆垛机在转弯时就不能高速运行，因此此种堆垛机应用在巷道比较多而堆垛机比较少且出入库频率不高的工作场合。

1.3堆垛机的发展

随着自动化立体仓库的应用范围和技术手段不断发展和完善，其在现代物流体系中起着越来越重要的作用。

立体仓亏最重要的部分是轨道堆垛机，轨道堆垛机因为作用广泛而得到推广使用。

在1970年左右巷道是堆垛机在我国得到了迅猛发展，在这之前我国早就开始研究采用巷道式轨道堆垛机在立体仓库中的应用。

在堆垛机的在机架机械中，机架上安装有伸缩货叉，用来取货和送货，通过机架上的丝杠来控制货叉的长度。

在二十世纪七十年代到八十年代间，巷道式堆垛机以及各种移动式货架开始运用于自动化立体仓库中，这使得物流运输的机动性大大提高，因此堆垛机的发展也越来越快[6]。

在19世纪初堆垛机的雏形出现在美国。

伴随着工业革命的逐步发展，各工业国家都开始研究与生产堆垛机，多用于起重和运送货物。

这个时候的巷道堆垛机一般由以下几个部分组成，升降电机、运行电机、固定轨道、底盘、机身、机架、伸缩货叉，并且搭配必要的电气设备。

巷道式堆垛机它的运行轨道一般铺设在地面上（这样可以大大减少承重的来料），堆垛机的承重和行走则依靠的是下部的机械滑轮，其运行轨迹是直线型巷道堆垛机。

这种堆垛机的驱动装置安装在底盘的两侧，有利于平时的保养、维修和拆运。

从1967年开始，工业刚起步的日本就掌握了安装高度为25米高度堆垛机的技术。

随着各国技术交流逐渐增多，计算机控制技术和物流仓储技术也得到了很快的发展，技术越来越好，所以应用越来越广泛，同时为了满足大型立体库的技术要求，堆垛机的整机高度也在不停的提高。

在1970年运货高度可达40米的堆垛机（其由货架支承，轨道固定）问世。

堆垛机是立体仓库的重要部分，技术是伴随着自动化仓储技术慢慢发展起来的。

最近几年国内的自动仓储技术中的堆垛机技术也与时俱进，堆垛机也在结构、减噪技术、安全运行、速度和精度指标上有了很大的提高，并在机械制造、食品生产、铁路、船舶、航空、矿业、烟草等行业得到了广泛应用。

跟国外比较，我国堆垛机存在最低存取货物高度比较低（世界一流水平），高速运行的安全性和精确度都显著提高，而且稳定性等问题也越来越好，所以我国堆垛机在综合性能方面步入世界发达国家行列。

目前堆垛机技术发达国家都把着力点放在开发性能可靠的新产品和采用新技术的稳定性上。

随着物流仓储技术的快速发展，物流仓储的高效率性对堆垛机的存取速度提出了更高的要求，研制运行平稳可靠、认址准确、起动制动灵敏、运行振动小、噪音小等综合性能高的运行速度达到160～200mmin以上的高速堆垛机成为今后的主要发展方向[7]。

堆垛机实物图如图1-2

图1-2

1.4课题研究的目的和意义

仓储技术是现代物流发展的重要指标，仓储在物流系统中起着非常重要的作用。

高效的、合理的仓储能加快物资流动、降低成本并可以对资源进行有效的控制和管理。

随着现代物流的快速发展，一方面，物流自动化和信息化程度不断提高；另一方面，土地成本和人工成本的提高也使企业产生了让仓库向自动化方向发展的十分迫切的需要。

在这种情况下，能代表现代企业先进水平的自动化仓库也就应运而生。

自动化立体仓库是近年国际上快速发展起来的一种新型物流仓储设施，具有准确高、自动化程度高、安全可靠、功能齐全等优势，并成为工业发达国家仓储建设的发展潮流。

我国在1973年自主研制出第一座计算机控制的自动化立体仓库，深受国家的关注与支持。

接下来的几十年科学家和工程师们不断努力创新，我国2015年底拥有的数量已经超过3000座，自动化立体仓库也从高速发展阶逐渐段步入了成熟应用阶段。

据可靠调研，我国很多行业都用到自动化立体仓库，主要应用于机械制造、矿业、船舶、航空航天、食品加工、烟草等行业。

与此同时，随着经济全球化步伐日益加快和信息技术的飞速发展，物流在经济活动中的重要性已经日益凸现，物流人才的需求也在日益增长。

据教育部高校物流专业教学指导委员会公布的统计数据，到2014年，我国大专以上物流人才需求量为30万至40万，而国内物流教育起步较晚，于是各高校纷纷投资兴建物流实验中心，为培养高素质物流人才搭建理论与实践的平台[8]。

2堆垛机的机械结构

2.1堆垛机的结构设计方案

堆垛机是自动化立体仓库中的重要的物流运输设备，它受控于上位机，穿梭于立体货架之间，主要承担货物的出库、入库和移库等任务。

良好的堆垛机应该满足以下几点设计标准；

（1）拥有多个方向运动的控制，即水平方向的来回行走，实现堆垛机的列定位；载货台的上下运动，实现堆垛机的层定位；货叉的双向伸缩运动，实现货物的存取。

（2）具有安全防护装置，例如：

断绳保护装置、冲顶保护装置、过载保护装置等。

（3）在机械结构满足强度、刚度及可靠性的原则下，各部分的质量尽量减少，减小堆垛机在加速和制动时的惯性冲击，同时还能节省制造成本。

（4）减少堆垛机工作过程中的噪音，为工作人员提供一个好的工作环境。

堆垛机机械结构大致如图2-1。

图2-1

2.2水平行走机构

堆垛机的行走机构，主要由驱动电机、电气控制柜、减速机、主、从动轮、导向轮及下横梁等部分组成。

其主要功能是由水平行走电机经过减速机驱动主动轮在地轨上运动，完成巷道堆垛机的巷道水平方向的行走运动，实现货格列方向的定位。

下横梁两侧靠近端面位置分别安装有两个导向轮，对堆垛机水平行走起到很好的方向导正作用[9]。

本机构的下横梁运用10mm后的钢板经过加工焊接而成，主动轮和从动轮两端的轴承安装孔，在加工的过程中应用加工中心旋转工作台经过一次装夹，镗削而成，有效的保证了主动轮和从动轮轴线的平行性，对堆垛机的水平行走的平稳性起到了很好的作用。

两边的导向轮采用金属轮外裹PPVC材料的方式制作，即保证了导向轮的刚度也有效的减小行走过程中的噪音。

2.3货叉部分

堆垛机的存取货装置主要有机械抓取式存取装置、电磁或真空吸盘存取装置、旋转抓取装置和伸缩货叉存取装置，本项目选用最为常用的伸缩货叉存取装置[10]。

货叉的传动方式有很多种，常见的有：

齿轮齿条传动及链轮传动和齿轮齿条传动相结合的方式等[11]。

本文选用齿轮齿条传动方式，其主要由上叉、中叉、下叉、齿轮齿条传动机构、导向轮和货叉电机等组成。

其工作原理如下：

下叉固定在载货台上，货叉电机带动动力输入轴驱动下边大齿轮，经过齿轮齿条传动机构，最终实现中叉相对于下叉水平行走400mm，上叉相对于下叉行走800mm，以达到货叉行程倍增的目标。

为了保证货叉机构设计完成后能实现在货架上边正常存取货物。

货叉合拢时尺寸800mm小于巷道宽度1000mm，货架上货物顶部距上位货位之间有60mm间隙满足微抬和微降间隙要求，货物顶部距上位货物托盘底部距离为220mm满足货叉的存货物间隙，所以本次设计的货叉能够满足堆垛机在巷道中行走并且自动存取货物的功能。

2.4载货台

载货台是货物的承载单元，其主要由导向轮、导轮架、载货台体、导向座、及滑轮组等组成，其上安装有货叉装置、断绳保护装置、升降认址装置、货物位置异常检测装置等。

它的结构设计主要考虑在满足对货叉和货物的支撑刚度的前提下，尽可能的减轻其重量，按照载货台的承载参数和货物托盘的尺寸，载货台体选用100×100mm的方钢，采取焊接的方式制成。

在载货台上与立柱导轨接触的三个面上都安装有导向轮，以保证载货台沿着立柱导轨平稳的升降。

为了减小载货台在升降过程中同立柱导轨之间的震动和产生的噪音，主要采取如下措施：

（1）选用PPVC材料制作导向轮；

（2）固定导向轮的导轮架要做成可调的，在安装时根据现场实际情况，调整导向轮同立柱导轨之间的间隙。

2.5提升机构

提升机构是实现载货台垂直提升的动力及传动机构，堆垛机常用的三种提升方式有：

链条提升、钢丝绳卷筒提升以及钢丝绳曳引轮提升方式三种[12]。

根据特点的不同采用链条提升方式比采用卷扬筒式更平稳。

曳引式提升机构体积小巧而且提升高度不受限制，但是堆垛机要水平行走，所以配重装置势必会晃动产生噪音，而且配重装置需要设到立柱里面沿着立柱内壁上下行走，维修和安装比较麻烦。

2.6安全保护部分

1）终端限位保护

在堆垛机的水平方向，不仅设置了行程限位开关，而且在导轨的两端安装有机械挡护块，双重防护保证堆垛机在水平行走过程中不冲出轨道；在立柱的上下端分别安装有限位开关，并且制作了防冲顶和防坠底的装置来预防堆垛机在垂直升降过程中控制失灵，造成冲顶和坠底的危险；在货叉的伸出终端设置硬限位，来控制货叉伸缩的行程

2）电气联锁保护

堆垛机在巷道中行走，拥有三个方向的运动，如果三个方向的运动协调不好的话，会导致堆垛机货叉跟货架或货物的碰撞，造成不良后果[13]。

所以在对堆垛机的控制过程中加入了联锁保护，堆垛机在水平行走过程中，载货台的垂直提升运动和货叉的伸缩运动是被锁定的，只有当水平定位完成后，载货台才能垂直运动，货叉在垂直方向定位完成后才执行伸缩操作。

在取到货物后，先货叉回中位，后载货台下降到低位，再堆垛机水平行走。

3）断电保护

本文中的所有电机都带有自动抱闸功能。

比如突然断电这种意外发生的时候，电机会掉电自锁，并保持断电状态，直到意外排除人工恢复。

4）载货台超载保护

堆垛机为了防止超载，本文添加了机械式超载限制器。

当重量超过额定的重量时，电源会自动切断。

当重量在额定重量以下，但在额定中量的80%以上时，会发出报警的信号。

2.7本章小结

本章在对堆垛机机械结构传统设计方法分析的基础上，提出了有限元分析软件，起到了至关重要的作用，采用新产品进行校核的新的设计方法。

确定了堆垛机的整体结构形势为单位立柱巷道堆垛机，并对水平行走结构、货叉、载货台、提升机构、安全防护进行了分析。

在现有的条件下完成了设计对堆垛机的结构的基本要求。

3控制方案设计

3.1堆垛机整体控制方案设计

控制系统是堆垛机的重要组成部分，堆垛机需要在立体库中穿梭并完成存货、取货的功能，其必须具备水平行走、垂直提升和货叉伸缩三方向的运动，并且具备较好的速度控制和准确的定位功能，控制系统的设计就显得尤为重要，接下来本文从堆垛机控制方式和控制功能角度为堆垛机设计提供依据。

控制系统结构拓扑图大致如下图3-1

图3-1

3.1.1堆